单缝衍射与光强分布(大物实验).doc

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实验单缝衍射及光强分布测试
光的干涉和衍射现象揭示了光的波动特性。
光的衍射是指光作为电磁波在其传播路径上如果遇到障碍物，它能绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区内传播的现象。光在衍射后产生的明暗相间的条纹或光环叫衍射图样，包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑等。
根据观察方式的不同，通常把光的衍射现象分为两种类型。一种是光源和观察屏（或二者之一）距离衍射孔（或缝、丝）的长度有限，或者说入射波和衍射波都是球面波，这种衍射称为菲涅耳衍射，或近场衍射。另一种是光源和观察屏距离衍射孔（或缝、丝）均为无限远或相当于无限远，这时入射波和衍射波都可看作是平面波，这种衍射称为夫琅禾费衍射，或远场衍射。实际上，夫琅禾费衍射是菲涅耳衍射的极限情形。
观察和研究光的衍射不仅有助于进一步加深对光的波动理论和惠更斯—菲涅耳原理的理解，同时还有助于进一步学习近代光学实验技术，如光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光信息处理等。衍射使光强在空间重新分布，本实验利用硅光电池等光电器件测量光强的相对分布，是一种常用的光强分布测量方法。
【实验目的】
1.观察单缝衍射现象，加深对波的衍射理论的理解。
2.测量单缝衍射的相对光强分布，掌握其分布规律。
3.学会利用衍射法测量微小量的思想和方法。
4.加深对光的波动理论和惠更斯—菲涅耳原理的理解。

【实验原理】
1.单缝衍射的光强分布
光线在传播过程中遇到障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、细线、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。如果障碍物的尺寸与波长相近，那么，这样的衍射现象就比较容易观察到。
散射角极小的激光器产生激光束，通过一条很细的狭缝（0.1～0.3mm宽），在狭缝后大于0.5m的地方放上观察屏，就可看到衍射条纹。由于激光束的方向性很强，可视为平行光束，因此观察到衍射条纹实际上就是夫琅禾费衍射条纹，如图1所示。
图1

光照射在单缝上时，根据惠更斯—菲涅耳原理：把波阵面上的各点都看成子波波源，衍射时波场中各点的强度由各子波在该点相干叠加决定。即就是说单缝上每一点都可看成是向各个方向发射球面子波的新波源，由于子波迭加的结果，在屏上可以得到一组平行于单缝的明暗相间的条纹。
图1中宽度为的单缝产生的夫琅禾费衍射图样，其衍射光路图满足近似条件：

产生暗条纹的条件是：
（k=±1，±2，±3，…）(1)
暗条纹的中心位置为：
(2)
两相邻暗纹之间的中心是明纹中心；
由理论计算可得，垂直入射于单缝平面的平行光经单缝衍射后光强分布的规律为
（3）
是狭缝宽，是波长，是单缝位置到光电池位置的距离，是从衍射条纹的中心位置到测量点之间的距离，其光强分布如图2所示。
图2

当相同，即相同时，光强相同，所以在屏上得到的光强相同的图样是平行于狭缝的条纹。当时，，，在整个衍射图样中，此处光强最强，称为中央主极大；中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍。
当，即时，I=0在这些地方为暗条纹。暗条纹是以光轴为对称轴，呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度可用的两条暗条纹间的间距确定，x=2D/d；某一级暗条纹的位置与缝宽d成反比，d大，x小，各级衍射条纹向中央收缩；当宽到一定程度，衍射现象便不再明显，只能看到中央位置有一条亮线，这时可以认为光线是沿几何直线传播的。
次极大明纹与中央明纹的相对光强分别为：
=0.047,0.017,0.008,……(4)

2.衍射障碍宽度（）的测量
由以上分析，如已知光波长，可得单缝的宽度计算公式为
(5)
式中K是暗条纹级数，D为单缝至屏之间的距离，x为第K级暗条纹距中央主极大中心位置距离。用光的衍射可以测量细缝的宽度。
同理，如已知单缝的宽度，可以测量未知的光波长。
根据互补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹。于是，利用上述原理也可以测量细丝直径及其动态变化。如图3所示。

【实验仪器】
光强分布测试仪
【仪器介绍】

1.硅光电池光电接收器2.一维可调移动尺
3.光电流检测主机4.衍射片
5.半导体激光器6.半导体激光器电源
7.光学导轨

【预习思考题】
1.光的干涉与衍射有什么异同？
2.让激光发出的单HYPERLINK"http://baike.sogou.com/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=4472649"色光照射到狭缝上，当狭缝宽度逐渐改变时，在HYPERLINK"http://baike.sogou.com/lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=327919"光屏上出现的现象怎样变化？
3.如果单缝到接收屏的距离改变，衍射图